CN109038186A - 一种平坦型铒镱共掺光纤光源 - Google Patents
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Abstract
本发明属于稀土掺杂光纤光源领域，具体涉及一种平坦型铒镱共掺光纤光源。本发明包括泵浦光源、合束器、铒镱共掺双包层光纤、光纤环形镜、光环形器、增益平坦滤波器和反射镜。本发明采用单泵单级双程后向结构，采用铒镱共掺双包层光纤作为增益介质，进一步提高了泵浦光的转换效率和输出光功率，改善了光源的温度性能，减小了光源的体积，有利于输出高平坦度的超荧光谱。
Description
技术领域
本发明属于稀土掺杂光纤光源领域，具体涉及一种平坦型铒镱共掺光纤光源。
背景技术
由于1550nm波段光符合人眼安全特性，并且位于第三个低损耗通信窗口，因此具有该波段光输出的稀土掺杂光纤光源在医疗、光通信、光纤传感和光器件测试等领域获得了广泛应用。目前，掺铒光纤光源的研究和应用已经较为成熟，并已经实现了商品化。
在掺铒光纤光源的应用中，通常要求其具有高的输出功率，以提高信噪比，特别地，光源功率是衡量高精度光纤陀螺用光纤光源性能的一项重要指标。要提高掺铒光纤光源的输出光功率，一般通过以下两种方式来实现。一是提高泵浦光对增益铒光纤的输入功率，但是会给光源带来散热问题，这对光源温控电路的性能提出了更高的要求；同时由于掺铒光纤的纤芯直径较小，导致能够有效耦合进入纤芯的泵浦功率较低，铒离子对泵浦光的吸收效率有限，这也制约了输出功率的进一步提高；二是增加增益光纤中铒离子的掺杂浓度，但是较高的离子浓度会使铒离子大量聚集而产生浓度猝灭，反而会降低对泵浦光的吸收。另一方面，由于掺铒光纤产生的放大自发辐射(ASE)在1532nm波长附近具有非平坦的增益谱，这给掺铒光纤光源在诸如波分复用(WDM)和密集波分复用(DWDM)系统等中的应用带来了容量和带宽降低的不利。
本发明的解决了现有掺铒光纤光源中铒离子对泵浦光的吸收效率低而制约光源输出光功率的问题，还能解决光源输出光谱谱形不平坦的问题，本发明提出一种平坦型铒镱共掺光纤光源，为单泵单级双程后向结构，采用多模半导体激光器作为泵浦光源，并且采用铒镱共掺双包层光纤作为增益介质，进一步提高了泵浦光转换效率和输出光功率，改善了温度性能，减小了光源体积，有利于输出高平坦度的超荧光谱。
发明内容
本发明的目的在于提供一种平坦型铒镱共掺光纤光源，该光纤光源解决了现有掺铒光纤光源中铒离子对泵浦光的吸收效率低而制约光源输出光功率的问题，并且解决了输出光谱谱形不平坦的问题。
本发明的目的是这样实现的：
一种平坦型铒镱共掺光纤光源,所述的光源包括泵浦光源1、合束器2、铒镱共掺双包层光纤3、光纤环形镜4、光环形器5、光环形器端口5-1、光环形器端口5-2、光环形器端口5-3、增益平坦滤波器6和反射镜7，泵浦光源1的尾纤与合束器2的泵浦端入纤熔接，合束器2的输出端尾纤与铒镱共掺双包层光纤3的一端熔接，铒镱共掺双包层光纤3的另一端与光纤环形镜4的入纤熔接，合束器2的信号端尾纤与光环形器端口5-1的入纤熔接，光环形器端口5-2的尾纤与增益平坦滤波器6的一端熔接，增益平坦滤波器6的另一端与反射镜7的入纤熔接，光环形器端口5-3的尾纤输出1550nm波段的超荧光。
所述的泵浦光源1为多模半导体激光器，激光波长为975nm。
所述的合束器2为多模泵浦加信号光型合束器，信号光波长范围为1520-1570(1550)nm，泵浦光波长范围为800-1000nm，端口类型为(1+1)×1型。
所述的铒镱共掺双包层光纤3为单模铒镱共掺双包层光纤。
所述的光纤环形镜4是由宽带3dB耦合器的两个输出端熔接制成，反射率达95％以上，光纤环形镜4的工作波长为1550nm。
所述的光环形器5为三端口光环形器，工作波长为1550nm。
所述的增益平坦滤波器6的工作波长为1550nm。
所述的反射镜7为法拉第旋转反射镜，工作波长为1550nm。
本发明的有益效果在于：本发明提出乐一种平坦型铒镱共掺光纤光源，采用铒镱共掺双包层光纤3作为增益介质，使用多模半导体激光器作为泵浦光源1，降低了光纤光源对泵浦模式的要求，有利于提高泵浦光的耦合效率，减小了增益介质光纤的长度，进一步提高了泵浦光源1的转换效率和输出光功率；且采用多模半导体激光器作为泵浦光源1，从而改善了光源的温度性能，降低光源对温控电路的要求，有利于减小光源体积；通过光环形器5控制信号光的传输方向，避免不同传输方向的信号光之间发生谐振而产生激光，同时避免了输出端面回波对光源的输出产生影响；在光环形器5和反射镜7之间加入增益平坦滤波器6，使信号光往返经过两次滤波，从而进一步提高输出光谱的平坦度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的铒镱共掺双包层光纤中敏化离子Yb3+在SiO2中的吸收谱和发射谱；
图3为本发明的铒镱共掺双包层光纤的结构及其光波传输示意图。
具体实施方式：
下面结合附图1-3对本发明做进一步的描述：
实施例1
本发明平坦型铒镱共掺光纤光源采用单泵单级双程后向结构，包括泵浦光源1、合束器2、铒镱共掺双包层光纤3、光纤环形镜4、光环形器5、光环形器端口5-1、光环形器端口5-2、光环形器端口5-3、增益平坦滤波器6和反射镜7，选择多模半导体激光器作为泵浦光源1，它输出的泵浦光经过合束器2耦合进入铒镱共掺双包层光纤3中，铒镱共掺双包层光纤3中作为敏化剂的Yb3+吸收泵浦光后将能量传递给受主离子Er3+，Er3+吸收能量后发生能级跃迁产生分别沿铒镱共掺双包层光纤3传播的前向和后向超荧光，后向超荧光经过光纤环形镜4反射后再次进入铒镱共掺双包层光纤3中得到放大并与前向超荧光叠加，形成功率更强的后向超荧光经过合束器2输入到光环形器端口5-1，然后由光环形器端口5-2输入到增益平坦滤波器6对带外的光进行滤波，滤波后的光输入到反射镜7，经过反射镜7反射后再次输入到增益平坦滤波器6进行再次滤波，获得的1550nm波段超荧光经过光环形器端口5-3的尾纤输出。
如图1所示，波长为975nm的泵浦光源1的尾纤与端口类型为(1+1)×1的合束器2的泵浦端入纤熔接，端口类型为(1+1)×1的合束器2的输出端尾纤与铒镱共掺双包层光纤3的一端熔接，铒镱共掺双包层光纤3的另一端与波长为1550nm的光纤环形镜4的入纤熔接，端口类型为(1+1)×1的合束器2的信号端尾纤与波长为1550nm的三端口的光环形器端口5-1的入纤熔接，波长为1550nm的三端口的光环形器端口5-2的尾纤与波长为1550nm的增益平坦滤波器6的一端熔接，波长为1550nm的增益平坦滤波器6的另一端与波长为1550nm的反射镜7的入纤熔接，波长为1550nm的三端口的光环形器端口5-3的尾纤输出1550nm波段超荧光。
泵浦光源1用于输出975nm的泵浦光。
合束器2一方面把经其泵浦端输入的975nm泵浦光耦合进入铒镱共掺双包层光纤3中；另一方面把经其输出端输入的超荧光通过其信号端输出到光环形器5中。
铒镱共掺双包层光纤3一方面作为光源增益介质用于吸收泵浦光并产生向前、向后两个方向传播的超荧光；另一方面对经过光纤环形镜4反射的后向超荧光进行重新吸收和放大。
光纤环形镜4一方面用于对铒镱共掺双包层光纤3输出的后向超荧光进行反射，以增加铒镱共掺双包层光纤3前向超荧光的输出功率；另一方面，光纤环形镜4对铒镱共掺双包层光纤3输出的后向超荧光进行平坦化处理。
三端口光环形器5用于控制信号光的传输方向，由光环形器端口5-1输入的光从光环形器端口5-2输出，而由光环形器端口5-2输入的光只能从光环形器端口5-3输出。因此光环形器端口5-1和光环形器端口5-2之间避免了光反射所形成的激光，还能阻止由光环形器端口5-2输入的反射光经过合束器2进入铒镱共掺双包层光纤3中形成激射而引入强度噪声和相位噪声；同时光环形器端口5-3避免了光源输出端的反射光对光源稳定性所产生的影响。
增益平坦滤波器6用于对由光环形器端口5-2输出的超荧光进行滤波，并对经过反射镜7反射输出的超荧光进行二次滤波，进一步提高了输出光谱的增益平坦度。
反射镜7一方面用于对经过增益平坦滤波器6滤波后输出的平坦荧光谱进行反射，提高了光源的输出光功率；另一方面降低了光源的偏振相关增益值。
掺铒光纤要达到高增益的1550nm波段输出，需要有足够多数量的Er3+来吸收泵浦光能量，但在较高的Er3+掺杂浓度下会产生严重的铒离子聚集现象，即出现浓度猝灭。本发明采用铒镱共掺双包层光纤3作为光源增益介质则很好地解决了上述问题。由于Yb3+两能级相距较远，不同能级间难以发生无辐射交叉驰豫，因此Yb3+不存在浓度淬灭现象。在纤芯中掺入一定量作为敏化剂的Yb3+，通过Yb3+先对泵浦光进行吸收，再通过能量传递效应传给Er3 +，有效地降低了铒离子的浓度淬灭效应。
镱离子在800至1100nm范围内具有较宽的吸收波段，增加了对泵浦波长的选择性。图2是本发明的铒镱共掺光纤中敏化离子Yb3+在SiO2中的吸收谱和发射谱，镱离子在915nm和975nm处有两个吸收峰，在975nm和1036nm处有两个发射峰。由于Yb3+在915nm处有一个很宽的吸收峰，所以Yb3+常用于传输能量给其他的掺杂离子。由于Yb3+在975nm处的吸收截面大约是915nm处吸收截面的3倍，因此作为一种优选方案，本发明的泵浦光源波长选择为975nm。
本发明采用铒镱共掺双包层光纤作为光源的增益介质，使用多模半导体激光器作为泵浦光源，降低了对泵浦模式的要求，同时泵浦方式为包层泵浦，提高了对泵浦光的耦合效率。本发明采用的铒镱共掺双包层光纤3，利用这种光纤的特殊结构和光波传输方式，如图3所示，信号光在纤芯中传输，泵浦光被直接耦合到了横向尺寸和数值孔径比纤芯大得多的内包层中，并在内包层和外包层的交界面上进行往返反射，反射光反复穿越纤芯，激活增益介质产生更多的激活Er3+对信号光进行放大。
综上所述，本发明提出的一种平坦型铒镱共掺光纤光源技术方案，采用铒镱共掺双包层光纤3作为增益介质，使用多模半导体激光器作为泵浦光源1，降低了对泵浦模式的要求，提高了泵浦光的耦合效率，减小增益介质光纤的长度，进一步提高了泵浦光的转换效率和输出光功率；且采用多模半导体激光器作为泵浦光源1改善了光源温度性能，降低了光源对温控电路的要求，减小了光源体积；通过光环形器5控制信号光的传输方向，避免不同传输方向的信号光之间发生谐振而产生激光，同时避免了输出端面回波对光源的输出产生影响；在光环形器5和反射镜7之间加入增益平坦滤波器6，使信号光往返经过两次滤波，进一步提高了输出光谱的平坦度。
这里必须指出的是，本发明中给出的其他未说明的实施方式和结构说明因为都是本领域的公知方式和公知结构，根据本发明所述的名称或描述，本领域技术人员就能够找到相关记载的文献，因此未做进一步说明。本方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术。
Claims (8)
1.一种平坦型铒镱共掺光纤光源，其特征在于：所述的光源包括泵浦光源(1)、合束器(2)、铒镱共掺双包层光纤(3)、光纤环形镜(4)、光环形器(5)、光环形器端口(5-1)、光环形器端口(5-2)、光环形器端口(5-3)、增益平坦滤波器(6)和反射镜(7)，泵浦光源(1)的尾纤与合束器(2)的泵浦端入纤熔接，合束器(2)的输出端尾纤与铒镱共掺双包层光纤(3)的一端熔接，铒镱共掺双包层光纤(3)的另一端与光纤环形镜(4)的入纤熔接，合束器(2)的信号端尾纤与光环形器端口(5-1)的入纤熔接，光环形器端口(5-2)的尾纤与增益平坦滤波器(6)的一端熔接，增益平坦滤波器(6)的另一端与反射镜(7)的入纤熔接，光环形器端口(5-3)的尾纤输出1550nm波段的超荧光。
2.根据权利要求1所述的一种平坦型铒镱共掺光纤光源,其特征在于：所述的泵浦光源(1)为多模半导体激光器，激光波长为975nm。
3.根据权利要求1所述的一种平坦型铒镱共掺光纤光源，其特征在于：所述的合束器(2)为多模泵浦加信号光型合束器，信号光波长范围为1520-1570(1550)nm，泵浦光波长范围为800-1000nm，端口类型为(1+1)×1型。
4.根据权利要求1所述的一种平坦型铒镱共掺光纤光源，其特征在于：所述的铒镱共掺双包层光纤(3)为单模铒镱共掺双包层光纤。
5.根据权利要求1所述的一种平坦型铒镱共掺光纤光源，其特征在于：所述的光纤环形镜(4)是由宽带3dB耦合器的两个输出端熔接制成，反射率达95％以上，光纤环形镜(4)的工作波长为1550nm。
6.根据权利要求1所述的一种平坦型铒镱共掺光纤光源，其特征在于：所述的光环形器(5)为三端口光环形器，工作波长为1550nm。
7.根据权利要求1所述的一种平坦型铒镱共掺光纤光源，其特征在于：所述的增益平坦滤波器(6)的工作波长为1550nm。
8.根据权利要求1所述的一种平坦型铒镱共掺光纤光源，其特征在于：所述的反射镜(7)为法拉第旋转反射镜，工作波长为1550nm。
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